1. Введение


2. Общая характеристика ВРД


3. Современное состояние исследований в области ВРД


4. Основные результаты


5. Заключение


6. Перечень ссылок

         Актуальность темы. Достижения в области электрических машин, развитие полупроводниковой и вычислительной техники предопределили появление вентильных реактивных двигателей (ВРД), область применения которых в регулируемом электроприводе постепенно расширяется наряду с синхронными и асинхронными машинами.

         Повышенный интерес в целом к регулируемому электроприводу объясняется не только растущими требованиями к качеству технологических процессов, но и тем, что в последнее время все большую актуальность приобретают вопросы, связанные с энергосбережением. Эффективное решение этих проблем в большинстве случаев становиться возможным только при условии использования регулируемого электропривода.

         На сегодняшний день в этой области отмечается вытеснение электропривода на основе коллекторных машин постоянного тока и постепенное увеличение потребности рынка в бесконтактных регулируемых электроприводах.

         Зачастую в регулируемом приводе применяются серийные асинхронные двигатели (АД). Однако ряд вопросов, связанных со снижением коэффициента полезного действия (КПД) и необходимостью завышения установленной мощности АД в частотно-регулируемом приводе ставит перед исследователями в этой области новые задачи. В этом отношении применение электропривода на основе ВРД можно рассматривать как альтернативу частотно-регулируемому электроприводу.

         ВРД обладают определенными преимуществами по сравнению с другими типами электрических машин. К ним относят простоту конструкции электромеханического преобразователя, высокую надежность. По регулировочным характеристикам ВРД не уступают коллекторным машинам постоянного тока и АД с частотным регулированием. Это и обуславливает расширение области применения ВРД и внимание к ним со стороны разработчиков.

         Исследования в области ВРД проводятся в различных направлениях. Можно отметить значительные успехи в математическом моделировании процессов электромеханического преобразования энергии в вентильных реактивных машинах. Однако вопросы, связанные с определением энергетических характеристик ВРД с учетом потерь в стали требуют отдельного рассмотрения. Это важная задача с точки зрения оценки теплового состояния, рационального выбора электромагнитных нагрузок, определения предельных режимов работы вентильных реактивных машин.

         Цель работы состоит в разработке математической модели, позволяющей определять характеристики ВРД с учетом локального насыщения зубцовой зоны двигателя, а также потерь в стали.

         Задачи, решаемые в работе:
- исследование магнитного поля ВРД;
- определение потерь в стали от вихревых токов;
- определение гистерезисных потерь в ВРД;
- вычисление энергетических характеристик ВРД.

         Предполагаемая научная новизна состоит в разработке методики определения потерь в стали ВРД, создании и реализации математической модели, позволяющей определять характеристики ВРД с учетом магнитных потерь.

         Планируемые практические результаты заключаются в определении энергетических характеристик ВРД с учетом потерь в стали и локального насыщения зубцовой зоны.

         В основу принципа действия ВРД положено использование реактивного вращающего момента. Электромеханический преобразователь (ЭМП) ВРД имеет явнополюсную конструкцию статора и ротора из шихтованной стали. На зубцах статора размещены сосредоточенные обмотки фаз двигателя. Ротор выполняется безобмоточным. Вращающий момент в ВРД создается последовательными циклами коммутации фаз двигателя. При этом ротор в каждом цикле стремиться занять такое положение, которое соответствует минимальному сопротивлению магнитной системы двигателя магнитному потоку включенной фазы. В этом положении энергия магнитного поля максимальна, а воздушный зазор минимален (рис. 1).

Рисунок 1 – Принцип действия ВРД (анимация: 8 кадров, 8 повторений, 104 Кб)

         Принципиально важным для работы ВРД является наличие определителя положения ротора (ОПР), силового полупроводникового преобразователя (СПП) и устройства управления (УУ) (рис. 2).

Рисунок 2 – Структура ВРД

         ВРД может иметь различную конфигурацию магнитной системы. Для ее обозначения используют дробь, в числителе которой количество полюсов статора Z_c, а в знаменателе – ротора Z_р. Существует следующая связь между количеством полюсов статора и ротора [1]:

Z_c = Z_р± 2k,

         где k = 1, 2, 3 – натуральный ряд чисел.
         В свою очередь число коммутаций S, приходящихся на один оборот ротора, определяется количеством фаз ВРД m и полюсов ротора Z_р [2]:

S = mZ_р.

         Таким образом, количество полюсов статора и ротора ВРД разное. При коммутации фаз двигателя ротор и вектор результирующего магнитного потока статора Ф вращаются в противоположные стороны. Более строго, Ф не вращается, подобно тому, как это происходит в машинах переменного тока, а последовательно занимает в пространстве дискретные положения. Причем количество этих положений обычно равно Z_c/2, так как направление реактивного момента не зависит от направления протекания тока в обмотках, что используется для уменьшения количества элементов СПП.

         Наиболее часто применяются трехфазные и четырехфазные двигатели с симметричным ротором 6/4, 8/6 и 12/8 [3]. Эти конфигурации показаны на рис. 3.

         В ВРД 12/8 и 12/10 может использоваться четыре катушки на фазу двигателя вместо двух. В этом случае уменьшается длина средней линии магнитной индукции и соответственно потери в стали. Также это позволяет уменьшить амплитуды радиальных сил, действующих на полюса двигателя, снижая акустический шум при работе ВРД [4].

Рисунок 3 – Наиболее распространенные конфигурации магнитных систем ВРД: 6/4 (а), 8/6 (б), 12/8 (в)

         Процессы электромеханического преобразования энергии в ЭМП ВРД невозможно рассматривать независимо от остальных элементов его структурной схемы: УУ непосредственно управляет этими процессами с помощью СПП, а также обратной связи по угловой координате и частоте вращения от ОПР.

         Помимо общих требований, касающихся высокой надежности и малой стоимости, ко всем узлам ВРД предъявляются и требования, определяемые функциональным назначением каждого элемента. Для УУ это быстродействие. Использование микропроцессорного управления вместо «жесткой» логики предоставляет широкие возможности для получения заданных характеристик, позволяет совмещать реализацию сложных алгоритмов управления, функций защиты и самодиагностики.

         СПП предназначен для коммутации фаз ВРД. Преобразователь должен обеспечивать эффективное осуществление алгоритмов управления, реализуемых УУ, что достигается не только за счет схемных решений, но и использования современных полупроводниковых элементов. Основная особенность ЭМП заключается в том, что направление реактивного момента не зависит от направления протекания тока в фазах. Это позволяет питать фазы двигателя однополярным током, уменьшая не только количество элементов преобразователя, но и в целом упрощая структуру всех узлов ВРД.

         ОПР используется для определения угла положения ротора, частоты вращения. Могут использоваться различные конструкции ОПР, которые должны отвечать требованиям высокого быстродействия и стабильности характеристик в широком диапазоне изменения условий эксплуатации.

         Патент на изобретение электромагнитного двигателя был получен в 1838 году [3]. Несмотря на то, что в основе этой электрической машины лежало использование тех же принципов, она весьма отдаленно напоминала современные ВРД: коммутация фаз осуществлялась с помощью коллектора, отличалась и конструкция магнитной системы. Однако недостатки такого двигателя стали очевидны уже на раннем этапе: наличие коллектора существенно снижало надежность, а в электромагнитном моменте присутствовали пульсации. На преодоление этих недостатков потребовалось больше чем полтора века и в этом существенную роль сыграло развитие полупроводниковой техники, которая, в конечном счете, позволила отказаться от применения коллектора, заменив его на полупроводниковый преобразователь. Использование современных микропроцессорных устройств позволяет успешно решать задачи управления ВРД. Тем не менее, вопросы, связанные с пульсациями момента, повышенным акустическим шумом, бездатчиковыми способами управления и ряд других продолжают оставаться актуальными и на сегодняшний день.

         ВРД – не единственная электрическая машина, в которой используется реактивный момент. Принцип действия синхронных реактивных и шаговых двигателей также основан на использовании реактивного вращающего момента. Однако синхронные реактивные двигатели (СРД) получают питание непосредственно от сети переменного тока, что становиться невозможным в условиях двухсторонней зубчатости ВРД, а также СРД имеют относительно невысокие энергетические и массогабаритные показатели. Шаговые двигатели применяются в устройствах автоматики и в этом отношении основные требования, предъявляемые к ним, касаются в первую очередь точности отработки сигналов, а энергетические показатели отходят на второй план.

         Недостатком вентильных двигателей на постоянных магнитах (ВДПМ) по сравнению с ВРД является необходимость использования редкоземельных магнитов, которые существенно увеличивают стоимость электрической машины, и их применение свыше мощности 25 кВт может стать нецелесообразным с экономической точки зрения [2]. В [5] также указывается на то, что низкая магнитная проницаемость постоянных магнитов требует использования большей магнитодвижущей силы для преодоления сопротивления магнитной цепи, что в свою очередь становится причиной снижения КПД. Следует отметить, что в случае ВДПМ могут возникать проблемы, связанные с размагничиванием магнитов, а также необходимостью использования специального технологического оборудования для ремонта, но вместе с тем в ВДПМ отсутствуют потери на возбуждение.

         Основное преимущество ВРД по сравнению с АД заключается в отсутвии обмотки на роторе и, следовательно, потерь в ней. ВРД выгодно отличается меньшим расходом активных материалов. Себестоимость ЭМП оказывается в 1,7-2 раза ниже себестоимости АД с короткозамкнутым ротором [6]. АД может получать питание непосредственно от сети переменного тока, но в этом случае возможности для регулирования оказываются ограниченными. Применение же преобразователей частоты ставит АД и ВРД в один ряд. Но также необходимо учитывать и то, что при использовании обычных серийных АД в частотном приводе на 5-6% возрастают потери из-за высших гармоник и требуется завышение установленной мощности [7]. Вместе с тем для ВРД не достаточно использовать только СПП – требуется и обратная связь по угловой координате. Это обуславливает необходимость применения датчика или бездатчиковой системы определения угла положения ротора.

         Таким образом, достаточно простая конструкция ЭМП обуславливает ряд преимуществ ВРД: относительно низкая трудоемкость изготовления, экономия активных материалов до 30%, хорошие массогабаритные и энергетические показатели в сочетании с высокой надежностью [6].

         Ряд фирм во всем мире занимается производством этих электрических машин. Специализированные компании существуют в Японии, США, Великобритании, Швеции, Бельгии, Италии и других странах (Aisin Seiki, Emerson/SRDL, Elektro Magnetix Ltd, Emotron A/b, Picanol, Sicmemotori) [2]. Исследования в этом направлении проводятся и в Украине. Необходимо отметить исследования в области ВРД с буферами энергии, проводимые в Львовском национальном техническом университете [8], разработки ВРД и их систем управления в Одесском национальном техническом университете [9], а также исследования тягового электропривода на основе ВРД в Донецком национальном техническом университете [10].

         Исследование особенностей работы вентильного реактивного двигателя при питании от сети переменного тока проводилось в рамках магистерской работы Лужнева А.И.

         Следует подчеркнуть, что исследования ВРД проводяться в различных направлениях и затрагивают все элементы структурной схемы ВРД. В этом отношении определение энергетических характеристик ВРД представляет практический интерес, поскольку энергетические показатели могут рассматриваться как критерий эффективности различных конструктивных решений и алгоритмов управления. Без определения энергетических характеристик не может быть решена задача рационального выбора электромагнитных нагрузок, оценено тепловое состояние ВРД.

         Переход к вычислению энергетических показателей ВРД требует использования сложной математической модели. Если потери в меди могут быть определены по действующему значению фазного тока, то расчет потерь в стали – более сложная вычислительная задача. Это связано с тем, что магнитный поток ВРД имеет выраженный несинусоидальный характер и форма его кривой отличается для различных частей магнитной системы двигателя.

         В рамках математической модели ВРД для средних значений, представленной в [8], при вычислении потерь в стали рассматриваются только потери от вихревых токов, влияние высших гармоник индукции учитывается коэффициентом дополнительных потерь.

         Авторы [11] при вычислении магнитных потерь в ВРД исходят из того, что основные потери в стали выделяются в ярме статора и для их оценки используется максимум потокосцепления в цикле коммутации.

         В [12] предложена методика расчета потерь в стали ВРД, базирующаяся на использовании схем замещения магнитной системы двигателя. Для определения магнитных потерь используется разложение в ряд Фурье кривых индукции для различных частей магнитопровода. Суммарные магнитные потери рассчитываются методом наложения для отдельных гармонических составляющих индукции с учетом разделения потерь от вихревых токов и гистерезиса. Использование методики расчета магнитных потерь на основе схем замещения не позволяет учесть неравномерность распределения индукции на отдельных участках магнитной системы. Вместе с тем отдельного рассмотрения требует влияние локального насыщения зубцовой зоны на энергетические характеристики ВРД, что не может быть в полной мере реализовано в рамках описанного выше подхода.

         В [13] для расчета потерь в стали ВРД используются метод конечных элементов (МКЭ). Индукция в различных частях магнитной системы двигателя рассчитывается интегрированием электродвижущей силы, индуцированной в одновитковых катушках, размещенных на полюсах и ярмах статора и ротора конечно-элементной модели. Затем к полученным кривым индукции также применяется гармонический анализ и расчет суммарных магнитных потерь на основании принципа суперпозиции.

         Исследование потерь в стали СРД с помощью МКЭ выполнено в [14]. Основное отличие изложенного подхода заключается в детальной дискретизации поперечного сечения двигателя, особенно зубцовой зоны статора и ротора, для вычисления магнитных потерь на отдельных участках. Методика расчета потерь, используемая авторами, предполагает определение потерь в стали отдельно для ортогональных составляющих вектора индукции на каждом из участков магнитной системы. Авторы считают, что такой подход применим для расчета магнитных потерь и в электрических машинах, имеющих несинусоидальное возбуждение.

         Задача расчета потерь в стали осложняется тем, что для отдельных участков магнитной системы ВРД характер перемагничивания не является пульсационным. В качестве примера на рис. 4 приведены фрагменты векторных картин магнитного поля исследуемого ВРД мощностью 130 Вт в области ярем статора и ротора. Эти картины иллюстрируют сложный характер перемагничивания отдельных областей магнитной системы двигателя. Из рис. 4 видно, что на отдельных участках ярем статора и ротора имеет место периодическое изменение направления вектора магнитной индукции, что свидетельствует о наличии вращательного перемагничивания. Аналогичные явления происходят в зонах локального насыщения зубцов при вращении ротора. Таким образом, на тех участках магнитной цепи, где существует только одна изменяющаяся во времени составляющая поля, имеет место пульсационное перемагничивание. На других участках, где возникают две разные по амплитуде пульсирующие составляющие, перемагничивание носит эллиптический характер.

Рисунок 4 – Фрагменты векторных картин магнитного поля при возбуждении различных фаз ВРД: для области ярма статора (а) и (б), и ярма ротора (в) и (г)

         Магнитные потери при эллиптическом перемагничивании больше потерь при пульсационном перемагничивании и сложно зависят от амплитуды индукции, причем гистерезисные потери и потери от вихревых токов, вызванные вращательным перемагничиванием, зависят от нее по-разному [15]. Кроме того, при наличии постоянной составляющей гистерезисные потери будут существенно большими, чем при её отсутствии [16]. В первом приближении, увеличение потерь при эллиптическом перемагничивании может быть учтено с помощью поправочных коэффициентов, значения которых можно оценить из экспериментальных данных.

         Решение этих вопросов требует дальнейших теоретических и экспериментальных исследований, разработки математической модели, позволяющей учитывать влияние формы кривой фазного тока ВРД на его энергетические характеристики с учетом характера перемагничивания участков магнитной цепи и локального насыщения зубцовой зоны.

        Для исследования характеристик ВРД широко применяется математическое моделирование. Выделяются два подхода в методах определения характеристик магнитной системы двигателя и их описании. В рамках первого подхода используется анализ схем замещения магнитной системы двигателя [17]. Основываясь на допущении о равномерности распределения индукции по поперечному сечению отдельных участков магнитной цепи двигателя, данный подход не позволяет учесть локальное насыщение зубцовой зоны. Весьма перспективным является второй подход, предполагающий расчет магнитной системы ВРД полевым методом, в частности МКЭ.

        Математическое описание характеристик магнитной системы также играет весьма важную роль. В этом отношении выделяется два направления. В рамках первого используют процедуру сплайновой интерполяции [18]. Недостаток данного подхода заключается в том, что он ограничивает возможность аналитического анализа процессов электромеханического преобразования энергии в ВРД. В рамках второго направления используется аналитическое описание полученных характеристик.

        С помощью МКЭ в плоскопараллельной постановке задачи расчета магнитного поля было получено семейство кривых проводимостей магнитной системы ВРД мощностью 130 Вт, которое показано на рис. 5 в виде поверхности. Эта поверхность наглядно иллюстрирует изменение магнитной проводимости в функции двух переменных: тока и угла положения ротора.

Рисунок 5 – Поверхность проводимостей магнитной системы исследуемого ВРД

         Для аппроксимации этих зависимостей использовалось выражение, основанное на косинусоидальном изменении магнитной проводимости от угла положения ротора:

        где Λ_max(i) - зависимость проводимости магнитной системы для согласованного положения полюсов статора и ротора от тока фазы;
Λ_min - минимальное значение проводимости, соответствующее рассогласованному положению полюсов статора и ротора;
θ - угол между осями полюсов статора и ротора;
Z_р - количество полюсов ротора.
        Зависимость Λ_max(i) аппроксимировалась выражением:

        где Ψ₁, I₁ - потокосцепление и ток соответственно в точке сопряжения линейного и нелинейного участков аппроксимируемой кривой намагничивания для согласованного положения полюсов статора и ротора;
w - количество витков в обмотке фазы ВРД;
a₁, a₂ - коэффициенты аппроксимации;
i - ток фазы ВРД.
        В соответствии с теорией электромеханического преобразования энергии получено аналитическое выражение для электромагнитного момента ВРД:

        На рис. 6 приведены кривые электромагнитного момента для рассматриваемого двигателя, рассчитанные по выражению (1) (показаны сплошными линиями), а также отмечен электромагнитный момент, полученный с помощью тензора натяжения в программе FEMM (показан штриховыми линиями) [19].

Рисунок 6 – Зависимость электромагнитного момента ВРД от угла положения ротора

        Из рис. 5 видно, что точность аппроксимации ухудшается при углах положения ротора близких к согласованному и рассогласованному положениям. Это объясняется тем, что реальная форма кривых проводимости отличается от косинусоидальной.

         Полученное выражение (1) позволяет вычислять статический электромагнитный момент ВРД и может применяться при оптимизации энергетических процессов за цикл коммутации. В рамках данной работы предполагается выполнить исследование энергетических характеристик ВРД с учетом локального насыщения зубцовой зоны.

1. Голландцев Ю.А. Уравнения вентильного индукторно-реактивного двигателя при одиночной коммутации фаз // Электротехника. 2003. № 7. С.45–51.
2. Miller T.J.E. Optimal Design of Switched Reluctance Motors // IEEE transactions on industrial electronics. 2002. Vol. 49, № 1. P.15–27.
3. Matveev A. Development of methods, algorithms and software for optimal design of switched reluctance drives: PROEFSCHRIFT ter verkrijging van de graad van doctor. – Eindhoven, 2006. – 248 p.
4. Кузнецов В.А., Садовский Л.А., Виноградов В.Л., Лопатин В.В. Особенности расчета индукторных двигателей для вентильного электропривода // Электротехника. 1998. № 6. С.35–43.
5. Шабаев В.А. Анализ критериев технико-экономического оптимума применения вентильно-индукторных двигателей // Электротехника. 2008. № 4. С.44–51.
6. Ильинский Н.Ф. Перспективы применения вентильно – индукторного электропривода в современных технологиях // Электротехника. 1997. № 2. С.1–3.
7. Беспалов В.Я. Перспективы создания отечественных электродвигателей нового поколения для частотно-регулируемого электропривода // Электрооборудование: эксплуатация и ремонт. 2006. № 3.
8. Ткачук В.И. Расчет статических характеристик вентильного реактивного двигателя // Електромашинобудування та електрообладнання. 1998. № 51. С.63–67.
9. Радимов И.Н., Рымша В.В. Влияние параметров коммутации на характеристики вентильно-реактивного электропривода // [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.blpm-motors.com/articles/Angle_SRM.pdf
10. Васильев Л.А., Мнускин Ю.В. Синтез характеристик вентильного реактивного привода с микропроцессорным управлением. // В зб. наукових праць ДонНТУ. Серія: електротехніка і енергетика. Вип. 28. Донецьк, ДонНТУ, 2001. – С.89-93.
11. Никифоров Б.В., Цветков А.А. Исследования вентильного индукторного двигателя в составе насосного агрегата // Электротехника. 2007. № 6. С.24–33.
12. Nakamura K., Fujio S., Ichinokura O. A Method for Calculating Iron Loss of an SR Motor Based on Reluctance Network Analysis and Comparison of Symmetric and Asymmetric Excitation // IEEE transactions on magnetics. 2006. Vol. 42, № 10. P.3440–3442.
13. D’hulster F., Stockman K., Desmet J., Belmans R. Advanced nonlinear modelling techniques for switched reluctance machines // Proceedings of the IASTED International Conference on Modelling, Simulation and Optimization. 2003. P.44–51.
14. Hudak P., Hrabovcova V., Rafajdus P., Mihok J. Core loss analysis of the reluctance synchronous motor with barrier rotors // Journal of electrical engineering. 2004. Vol. 55, № 9–10. P.273–276.
15. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины: Учебник для вузов. – М.: Энергия, 1980. – 928 с.
16. Лейтес Л.В. Электромагнитные расчеты трансформаторов и реакторов. – М.: Энергия, 1981. – 392 с.
17. Bekkouche B., Chaouch A., Mezari Y. A switched reluctance motors analyse using permeance network method // International Journal of Applied Engineering Research. 2006. Vol. 1, № 2. P.137–152.
18. Кузнецов В.А., Матвеев А.В. Дискретная математическая модель вентильно-индукторного двигателя // Электричество. 2000. № 8. С.22–27.
19. Finite element method magnetics // [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://femm.foster-miller.net

         Примечание:

         При написании данного автореферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2009 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.